淺談天線的起源　

淺談天線的起源

誰發(fā)明了天線？淺談天線的起源

大家一定都很熟悉天線的英文名稱一般叫做 ANTENNA；其實，它的另一個名稱叫 AERIALS。所謂 AERIALS 就是一條用來發(fā)射或接收無線電訊號的長導(dǎo)線。從這個名稱可以看出來，實驗家們在還沒有把天線發(fā)揚光大之前，天線原來是什么樣子。

下面試著以「以古鑒今」的方式來了解天線，最主要的是希望從中可以看到天線的有趣實驗與動腦筋的精神，最后要簡略地介紹家用電視天線的發(fā)展歷史......

有趣的天線史

「威爾」發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)線的妙處

我們一路回到最早期的無線電時代。在電力未發(fā)明以前，所有的機器都以煤油供應(yīng)，例如以煤油為動力的冰箱就是很好的證明。

早期有位實驗家，名叫「威爾」 (Whitfield Whire)，他發(fā)明的無線電發(fā)射機可以發(fā)出很大的火花，但訊號卻無法發(fā)射出去。實際上他發(fā)明的發(fā)射機是以火花放電原理產(chǎn)生的無線電。但是讓他最吶悶的是，試用了無數(shù)的方法，就是無法接收到這發(fā)射機所發(fā)射的訊號。后來是收到了，但訊號很弱。

為了更進一步驗證電波是否可以穿過桌面，他把發(fā)射機擺在桌子底下，為了取得訊號，接收機被吊在桌子上方的天花板上，令他感到意外的是，吊著接收機的這一條導(dǎo)線，竟然使接收機的效率好了許多，因此，他就把吊著的導(dǎo)線留在那里，從此，他就稱他的接收機為「無線電接收機」 (WIRELESS SET)，他并且把這一份結(jié)果整理成一份報告，發(fā)表在美國的 QST 雜志上 (世界上最早的一份業(yè)余無線電雜志 )。

「古浪」發(fā)現(xiàn)接地的好處

在這好幾年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實驗家發(fā)現(xiàn)到，供電給桌子上的臺燈有兩條導(dǎo)線，但是接收機的天線只有一條，為什么只有一條天線可以表現(xiàn)得那么好，因此他就針對這個問題繼績探討下去。

這個問題自然對他困擾不已，但是事情就是如此之巧，在后來他買了一部車子后，他發(fā)現(xiàn)車燈也是使用一條導(dǎo)線而已，當然還有另一條線是接車子的外殼。這就使他想到一個問題：若同樣把發(fā)射機的其中一條導(dǎo)線接到一個共同的接點，是不是會比較好？所以他就用了一條金屬管打入地底下，并且拉出一條線接到發(fā)射機上頭，這竟然使訊號增強了許多，同樣地，他也把這重要的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在 QST 雜志上。他在該文中建議，每一座業(yè)余無線電臺，都需要有「接地」 (GROWND)。
「戴柏」發(fā)明雙偶極天線

天線的下一個主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 發(fā)明的。

有一天，當?shù)掀?(戴柏的昵稱 ) 走過一個游樂場時，發(fā)現(xiàn)當?shù)氐莫{子會員正在玩蹺蹺板，他發(fā)現(xiàn)這些獅子會員都很快地能保持平衡，想必其中有人運力，使蹺蹺板在極短的時間內(nèi)保持平衡。

迪普回到家后，馬上拿了一條導(dǎo)線接上機器外殼，另一條導(dǎo)線則接到發(fā)射機輸出，這就成為一組新的天線。其實，此天線也就是后來大家所熟知的「雙偶極」 (DIPOLE) 天線，這是為了記念戴柏，而以他的名字來命名。
「郝柏思」發(fā)明虛接地

在 QST 雜志上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族，發(fā)現(xiàn)他的臺燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統(tǒng)采用 330V，這雖很自然，但是他想到，為什么北美地區(qū)使用 220V 供電，也要有三條線。這也就促成他發(fā)明了「虛接地線」，這理論常時很少人知道，甚至有人對這理論不以為然。不過，今日對天線有興趣者，必定知道，虛性接地是必須的，而這些「虛接地」通常也稱做 COUNTERPOISE，用發(fā)明者的名字以資紀念。
「崔伯」首創(chuàng)較短的雙偶極天線

也在 QST 上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論的「崔伯」 (Von Trap)，由于他家空間不夠大，無法架設(shè)雙偶極天線，所以他沿著天線，每隔幾英呎左右就繞幾個圈，好把過長的部份纏繞起來，并且在纏繞的電感上并聯(lián)電容，這就是「崔伯雙偶極天線」 (TRAP Dipole) 的誕生。
「尼馬奇」發(fā)明駐波比表

從美國 QST 雜志發(fā)行以來，有關(guān)天線的發(fā)展史中，最富傳奇色彩的是「尼馬奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友們都昵稱他為 Mo。牠是第一位提出天線理論，探討有關(guān)被饋送到長狀天線的功率，有多少不會被輻射出去的物理學家。他為了徹底了解這一理論，想知道功率發(fā)射出去約有多少，被反射回來約有多少，因而發(fā)明了「駐波比表」 (駐波比 SWR 的現(xiàn)在英文正名為 Standing Wave Ratio。當時是 See What Returns 的縮寫，意思是有多少功率被折返。)

為了紀念此為駐波比表發(fā)明者，以前曾有人把駐波比表稱做 MoNimatch。至今，有關(guān)駐波比表的制作，依然以此為基礎(chǔ)。

QST 雜志依例報導(dǎo)了極為成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天線。從上列一路發(fā)展下來，像極了印度教的導(dǎo)師精神。

最后一位承襲者是「雷頓」 (Raoul Random)，他發(fā)現(xiàn)蹺蹺板上兩端物體互異，但是調(diào)整距離也可以達到平衡，天線應(yīng)該也可以像這樣，以人工方式調(diào)整，達到平衡 (匹配 )。

從上面的一系列發(fā)展下來，下面對天線的發(fā)展有個總結(jié)：

無線電機器．有一條導(dǎo)線接著之后，性能好的不得了，這導(dǎo)線就稱為天線 (Aerial)。 ——威爾 (WHIRE)

如果把上述無線電機器的外殼接地．那性能就更妙。 ——古浪 (GROWND)

如果天線旁有些巧妙的導(dǎo)線安排，則無線電機器的接收，簡直妙不可言。——郝柏思 (COUNT HERPOISE)

從無線電機器拉出去的天線，若是兩條一字拉開．使電力呈平衡狀是最好的。——戴柏 (DIPOLE)

天線是否平衡，可以由簡易的駐波比表測量出來。——尼馬奇 (NIMATCH)
在雙偶極天線能上，可以把部份長度纏繞成電感狀，使天線能變短。 ——崔柏 (TRAP)

天線是否平衡，不必光看天線在形體上是否對稱，可以設(shè)法人工調(diào)整。——雷頓 (RANDOM

「八木-宇田」(YAGI-UDA)天線

談到無線電通訊，以它的發(fā)展史來看，無線電科學的發(fā)展是一項集體的創(chuàng)作，而不是個人的發(fā)明。所以至今我們也沒有聽說過，無線電是誰發(fā)明的。舉幾個簡單的例子，我們說「莫耳斯」 (Morse) 發(fā)明了電報 (Telegraph)；「貝爾」 (Bell) 首創(chuàng)電話 (Telephone)；而無線電報 (Wireless Telegraph) 則是「馬可尼」 (Marconi) 優(yōu)先使用。但是無線電的發(fā)展卻是在幾乎同一時間，由分布在世界各個不同角落的專家的集體創(chuàng)作。

「八木 - 宇田天線」早被廣泛應(yīng)用，對無線電有興趣者，沒有人不熟悉。家用電視的接收天線、商用的通訊系統(tǒng)都廣泛使用著它。早期又稱「定向天線」，或叫「寄生天線」，后來才叫作「八木 - 宇田天線」，不過，習慣上，一般很少人這樣稱呼，大家還是一直稱作「八木天線」。這是由日木兩位科學家「八木秀次」 (Hidetsugu Yagi) 教授及「宇田新太郎」 (Shintaro Uda) 講師所發(fā)明，他們是早期的電力工程專家，他們的研究主題是想找出比較理想的方法，好讓短波振蕩器的訊號可以有效地輻射出去。

「八木」先生，是至今全世界的業(yè)余無線電家及無線電通訊專家還常掛在嘴邊的名字，可以說耳熟能詳?！赴四尽褂?1886 年 1 月 28 日誕生于日本大阪。在這之前 2 年，德國科學家「赫芝」 (Heinrich Hertz) 才剛開始做電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、及檢波方面的試驗。90 年之后，世界上不論是多大的「寄生天線」，無不以「八木天線」來稱呼。

「八木」小時候?qū)ξ乃嚨呐d趣遠超過科學，但是自從接觸了物理學及深入了解一些物理現(xiàn)象后，便對科學逐漸感興趣。他進入東京皇家大學 (現(xiàn)今的東京大學 )就讀；24 歲時，取得工程學位。之后任教于 SENDAI 高工，執(zhí)鞭四載之后，取得教育部獎學金，負岌歐洲，游學深造。也因有此因緣際遇，得以接觸當時正在歐洲發(fā)展中的一些重要的無線電科學實驗。

「八木」先在德國習藝，專研發(fā)射機的共振變壓器，與「巴豪森」 (Heinrich Barkhausen) 共事，研究如何由尖端火花放電，來作為 CW 振蕩器?！赴秃郎故菍ｉT研究振蕩器的，后來他也發(fā)明了由真空管制作的極高頻振蕩器，這振蕩器也是后來「宇田」拿來做極高頻傳導(dǎo)研究的工具之一。

1914 年爆發(fā)第 - 次世界大戰(zhàn)，「八木」的研究工作也被迫中斷，于是他離開德國，轉(zhuǎn)往英國。也因為這戰(zhàn)事，才得以和「佛來明」 (J.A.Fleming) 在倫敦共事；當時，「佛來明」已經(jīng)發(fā)明真空二極管，而且它已被應(yīng)用在無線電訊號的檢波上。

與「佛萊明」共事兩年之后，「八木」又轉(zhuǎn)往美國，在哈佛大學與「皮爾斯」 (Jeorge W. Pierce) 共事，當時「皮爾斯」專長于晶體檢波，他也是有名的「皮爾斯振蕩器」發(fā)明者。在美期間，「八木」加入了「無線電工程學會」 (Institute of Radio Engineers)，它是現(xiàn)今 IEEE 的前身，也因此，「八木」在回到日本后，還能取得在美國的學報上發(fā)表研究成果的快捷方式。

在美期間，「八木」以英文為文，發(fā)表了兩篇研究報告。一篇是討論有關(guān)他最拿手的共振變壓器線路；另一篇則是比較使用交流與直流電源，以不同的火花放電方式，所產(chǎn)生的無線電報的音調(diào)。

「八木」的學生-「宇田」

「八木」的一位學生叫「字田」，他利用二極真空管制作的振蕩器，產(chǎn)生了波長 4.4 公尺的訊號，也是利用這個工具，他把這訊號加在一只定向天線上做電波傳導(dǎo)試驗，這天線也就是「八木天線」或稱作「八木 - 宇田天線」。

「宇田」開始研究天線，他首先測量環(huán)狀天線的輻射圖案，由于追根究底的實驗精神，他想改善天線的指向性，因此把一個共振頻率梢低的寄生組件，擺在環(huán)狀天線附近，接著把環(huán)狀改成直條狀寄生組件，擺的數(shù)目越多，測得的訊號也越強。這聽來是不是很熟悉？這就是「八木 - 宇田天線」的由來。

「宇田」的天線實驗，也從環(huán)狀的天線組件改成雙偶極，把雙偶極天線及寄生組件以垂直方式擺放。緊接著，「宇田」做各種不同條件變量下對天線指向性影響的深入分析，包括了：寄生組件的長度、寄生組件的彼此間距、各種不同的寄生組件形狀、接收天線的架高、發(fā)射天線的架高、及導(dǎo)向組件的數(shù)目等。

「宇田」的實驗方法非常簡單，他利用標準的雙偶極天線，加裝晶體檢波器，并利用一只電流表來記錄訊號的強度。他把實驗結(jié)果記錄下來，利用圖繪的方式把它表達出來，你看了一定很眼熟是不是？因為在大多數(shù)的天線工程學上，至今依然采用類似的圖案方式來描繪指向天線，參看圖 1。

「宇田，也從中發(fā)現(xiàn)，當反射組件是波長的一半，且與輻射組件保持四分之一波長的距離時，天線的增益最佳，要保持這種狀況，在加入導(dǎo)向組件時，導(dǎo)向組件的長度，要比半波長少百分之十的長度，與輻射組件的距離約三分之一波長左右最理想。

「宇田」的研究成果，最初發(fā)表在日本 1926 年二月的「皇家學院」學術(shù)刊物 (日本學士院記事； Proceedings of the Imperial Academy of Japan) 上，該文名為「尖銳指向的電波投射裝置」 (Projector of the sharpest beam of electric waves)，文中詳細討論了垂直雙偶極定向天線的理論。第二篇的研究報告，只有「宇田」俱名，發(fā)表在日本 1926 年三月份的「日本電力工程學刊」 (The Journal of the IEE of Japan) 上。名為：「短波定向發(fā)射」，詳細描述「宇田」的研究成果，他把三只定向天線的最佳尺吋安排，用在發(fā)射時，稱為「三角共生反射器」 (Trigonal Reflector)。用在接收時，稱為「三角共生集波器」 (Triginal Collector)。

「宇田」對三角共生反射器的描述如下：『如果能有一反射組件與導(dǎo)向組件，與輻射組件前后一字排開時，這天線的指向性會大大地提高』。接著他建議，若是這三角共生反射器，與一群名為「波管」 (Wave Canals) 的導(dǎo)向組件并用，又可以增加這天線的指向性，他把這天線命名為「電波投射裝置」 (Wave Projrctor)。

「八木」為這裝置取得專利權(quán)，并把這項專利讓渡給「美國無線電公司」 (RCA)，這使戰(zhàn)后發(fā)展出來的電視科技，普遍使用了「八木天線」，作為電視接收天線。

「八木 - 宇田天線」于 1932 年在日本正式投入商業(yè)應(yīng)用范圍。在飛島 (TOBISHIMA) 與山形縣酒田市 (SAKATA) 之間的官方無線電線路正式啟用，兩地距離約有 40 公里，這利用了 2 公尺到 1O 公尺之間的頻率，在兩地建立了無線電電話業(yè)務(wù)。而新瀉市與佐渡之島問，約 50 公里遠的通訊也隨之建立。而遠在歐洲，也正利用「八木 - 宇田」天線，與雷達并用，發(fā)展無線電著陸導(dǎo)航技藝。
「八木-宇田」天線發(fā)跡于日本，應(yīng)用于歐美

第二次世界大戰(zhàn)后的電視發(fā)展，大量采用了「八木 - 宇田」天線，這才奠立了八木 - 宇田天線的商業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)。1951 年，「八木」教授加入了日本官方制定電視標準的委員會，成為杰出的顧問?！赴四咎炀€公司」也在此時成立，「八木」先生任總裁，「八木 - 宇田」天線也成為世界上廣用的電視接收天線。

從第二次世界大戰(zhàn)時，在新加坡發(fā)現(xiàn)的一本手冊，名為「紐曼筆記」，參看圖 4，可以看出來這一現(xiàn)象，就是「八木 - 宇田天線」已被應(yīng)用在軍事上。當時在新加坡看過這本冊子的日軍，無不個個愕然。從該冊子看來，「八木 - 宇田天線」已被應(yīng)用在雷達上。由于日不戰(zhàn)敗后，民生物資缺乏，設(shè)備也被毀壞，一切技術(shù)及研究那陷入停頓狀態(tài)。

英軍占領(lǐng)新加坡，宣稱百年不破。那知，常時正值銳不可當?shù)娜哲姡坏饺齻€月就把新加坡拿下。也因為這個機緣，從當時紐曼軍部隊的雷達手之中，拿到了這份「紐曼筆記」，這冊子當中就有 YAGl ARRAY 的記載，
結(jié)語

「八木」先生家中保存的三十年研究檔案資料，及他個人的圖書室，都毀于 194s 年四月的束京大炮轟?！赴四尽雇诵葜?，成為東北大學及大阪大學的名譽教授。不過「八木」依然極為活躍，他身為「八木天線公司」的特別顧問，也是日本電視廣播公司、東京電力快鐵、及各種科學單位與政府部門的顧問，他曾獲得日本天皇的日本一等文化勛章。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，「宇田」繼續(xù)研究「八木 - 宇田天線」，并且在 1954 年與 Y.Mushiake 合著了一本名為「八木 - 宇田天線」的教科書，直到 1960 年從東京大學退休為止。在 1950 年代，「宇田」一直研究著導(dǎo)波管。在 1955 到 1958 年之間，曾赴印度，為了聯(lián)合國文教科技組織 (UNESCO) 的微波通訊計劃工作。